基站中的無源互調(diào)效應：了解挑戰(zhàn)和解決方案

作者：Frank Kearney and Steven Chen

眾所周知，有源元件會在系統(tǒng)中產(chǎn)生非線性。已經(jīng)開發(fā)了各種技術來提高此類設備在設計和操作階段的性能。很容易忽視無源器件也會引入非線性效應;雖然有時相對較小，但如果不加以糾正，這些非線性會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生嚴重影響。

PIM 代表“無源互調(diào)”。它表示當兩個或多個信號通過具有非線性特性的無源器件時產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物。機械部件的相互作用通常會導致非線性元素。這在兩種不同金屬的交界處尤其明顯。示例包括：電纜連接松動、連接器臟污、雙工器性能差或天線老化。

無源互調(diào)是蜂窩行業(yè)中的一個重大問題，并且極難進行故障排除。在小區(qū)通信系統(tǒng)中，PIM會產(chǎn)生干擾，并會降低接收器靈敏度，甚至可能完全抑制通信。這種干擾會影響創(chuàng)建它的細胞以及附近的其他接收器。例如，在 LTE 頻段 2 中，下行鏈路的指定范圍為 1930 MHz 至 1990 MHz，而上行鏈路的范圍為 1850 MHz 至 1910 MHz。如果位于1940 MHz和1980 MHz的兩個發(fā)射載波通過PIM從基站系統(tǒng)發(fā)射，則它們的互調(diào)將導致1900 MHz的分量落入接收頻段。這將影響接收器。此外，2020 MHz的互調(diào)項目可能會影響其他系統(tǒng)。

圖1.無源互調(diào)，回落到接收頻段。

隨著頻譜變得越來越擁擠，天線共享方案變得越來越普遍，通過不同載波的互調(diào)產(chǎn)生PIM的可能性也相應增加。使用頻率規(guī)劃來避免PIM的傳統(tǒng)方法幾乎是不可能的。再加上剛才提到的挑戰(zhàn)，采用CDMA/OFDM等新的數(shù)字調(diào)制方案意味著通信系統(tǒng)的峰值功率也會增加，從而增加了PIM問題的嚴重性。

PIM已被強調(diào)為服務提供商和設備供應商面臨的一個嚴重問題。檢測并在可能的情況下解決問題可提高系統(tǒng)可靠性并降低運營成本。在本文中，我們試圖回顧PIM的來源和原因，以及提出檢測和解決PIM的技術。

PIM 分類

我們的初步觀察表明，PIM有三種不同的類型，每種類型都有不同的特征，每種都需要不同的解決方案。我們選擇將這些類型分類為設計 PIM、裝配 PIM 和生銹螺栓 PIM。

設計 PIM

已知某些無源元件與其傳輸線相結合，會導致無源互調(diào)。因此，在設計系統(tǒng)時，開發(fā)團隊將選擇具有組件制造商指定的最低或可接受的PIM水平的無源元件。環(huán)行器、雙工器和開關特別容易產(chǎn)生這種影響。設計人員可以選擇通過選擇成本更低、尺寸更小或性能更低的選項來接受更高水平的無源互調(diào)。

圖2.組件設計權衡、尺寸、功耗、抑制和 PIM 性能。

如果設計人員確實選擇使用性能較低的組件，則由此產(chǎn)生的較高交調(diào)水平可能會回落到接收器的頻帶內(nèi)，從而導致其脫敏。需要注意的是，在這些情況下，不需要的頻譜發(fā)射或功率效率損失可能不像PIM對接收器的脫敏效果那樣令人擔憂。這個問題在小型蜂窩無線電設計中尤為重要。ADI目前處于高級開發(fā)階段，可以檢測、建模和從接收信號中減去（消除）雙工器等靜態(tài)無源元件提供的PIM（見圖3）。

圖3.PIM 生成和取消算法。

該算法之所以有效，是因為它了解載波，并且可以在從接收信號中減去交調(diào)偽影之前，使用接收器的相關性來確定交調(diào)偽影。

當相關性不能再用于確定互調(diào)偽影時，算法的限制開始顯現(xiàn)。圖 4 提供了這方面的一個示例。在這種情況下，兩個獨立的發(fā)射器共享同一天線。如果我們假設每條路徑的基帶處理都獨立于另一條路徑，那么該算法不太可能同時了解兩者，因此，它可以在接收器上執(zhí)行的相關/消除受到限制。

圖4.多個源共享同一天線。

復雜性增加了 PIM 挑戰(zhàn)

隨著站點訪問和成本對服務提供商構成挑戰(zhàn)，我們開始看到越來越多的實例，其中單獨的發(fā)射器共享一個寬帶天線。架構可以是頻段和格式的混合：TDD+ FDD;TDD： F + A + D， FDD： B3等圖 5 提供了此類配置的概述。在這種情況下，客戶正在實施復雜但真實的配置;一個分支是 TDD雙頻，另一個是FDD單頻，采用雙工器。信號被組合并共享一個天線。Tx1 和 Tx2 信號之間的交調(diào)在從合路器的路徑、傳輸?shù)教炀€的傳輸線以及天線本身中被動發(fā)生。由此產(chǎn)生的交調(diào)偽影回落在F的頻帶內(nèi)DD接收器，Rx2。

圖5.FDD/TDD單天線實現(xiàn)。

圖6顯示了雙頻系統(tǒng)的實際分析。請注意，在這種情況下，我們需要考慮的不僅僅是三階無源調(diào)制偽影。在這種情況下，重點是來自一個頻段（內(nèi)部）的交調(diào)偽像落在另一個頻段的接收頻段內(nèi)。

圖6.多頻段 PIM 問題。

裝配 PIM

PIM 的第二個分類是我們可以稱之為匯編 PIM。雖然系統(tǒng)在安裝時可能運行良好，但由于天氣或初始安裝不良，性能通常會隨著時間的推移而下降。發(fā)生這種情況時，信號路徑的無源元件（即連接器、電纜、電纜組件、波導組件和組件）通常會開始表現(xiàn)出非線性行為。事實上，PIM的一些主要事件將由連接器，連接甚至天線本身的饋線引起。如前所述，生成的效果可能類似于設計 PIM 的效果。因此，可以使用相同的PIM測量理論，專門尋找無源互調(diào)產(chǎn)物的存在。

裝配 PIM 的典型貢獻者是：

連接器配接接口（通常為 N 型或 DIN7/DIN16），

電纜附件（電纜/連接器連接的機械穩(wěn)定性），

材料（建議使用黃銅和銅，鐵磁材料表現(xiàn)出非線性特性），

清潔度（污垢或濕氣污染），

電纜注意事項（電纜的質(zhì)量和堅固性），

機械堅固性（由于風和振動而彎曲），

電熱感應PIM（由于電導隨溫度變化而變化，以響應具有非恒定包絡的RF信號耗散的時變功率）。

溫度變化大、含鹽空氣/污染空氣或過度振動的環(huán)境往往會加劇 PIM。雖然可以使用與設計PIM相同的PIM測量技術，但裝配PIM的存在可以被視為系統(tǒng)在性能和可靠性方面退化的指標。如果不解決，導致 PIM 的弱點可能會繼續(xù)升級，直到發(fā)生完全傳輸路徑故障。對程序集 PIM 使用 PIM 取消的方法可能被視為掩蓋問題，而不是解決問題。

在這種情況下，預計用戶不會希望取消PIM，而是被告知其存在，以糾正其根本原因。消除來自于首先確定在系統(tǒng)上引入PIM的位置，然后修復或更換該特定元件。

雖然我們可以認為設計PIM是可量化和穩(wěn)定的，但如前所述，裝配PIM并不穩(wěn)定。它可能存在于一組非常狹窄的條件下，其振幅變化可能超過 100 dB。單次離線掃描可能無法捕獲此類實例;理想情況下，傳輸線診斷需要與PIM事件一起捕獲。

天線之外的 PIM（生銹螺栓 PIM）

PIM不僅限于有線傳輸路徑，也可能發(fā)生在天線之外。這種效果也稱為生銹螺栓 PIM。在這種情況下，無源交調(diào)發(fā)生在信號離開發(fā)射器天線之后，產(chǎn)生的交調(diào)反射回接收器。術語生銹螺栓來自這樣一個事實，即在許多情況下，互調(diào)源可以是生銹的金屬物體，例如網(wǎng)狀柵欄、谷倉，甚至是排水管。

金屬物體引起的反射是意料之中的。然而，在這些情況下，金屬物體不僅反射接收到的信號，而且還產(chǎn)生和輻射互調(diào)偽影?；フ{(diào)就像在有線信號路徑中一樣發(fā)生，即在兩種不同金屬的交界處或不同材料的交界處。電磁波產(chǎn)生混合和再輻射的表面電流（見圖7）。再輻射信號的幅度通常非常低。但是，如果輻射元件（生銹的圍欄、谷倉或落水管）靠近基站的接收器，并且其交調(diào)產(chǎn)物落在接收頻帶內(nèi)，則結果將是接收器脫敏。

圖7.超越天線，或生銹的螺栓PIM。

在某些情況下，PIM源的檢測可以通過天線定位來實現(xiàn)：在改變天線位置的同時監(jiān)控PIM電平。在其他情況下，時間延遲估計也可用于定位源。如果 PIM 電平是靜態(tài)的，則可以使用標準算法消除技術來補償 PIM。然而，在許多情況下，振動、風和機械運動會調(diào)節(jié)PIM的貢獻，使消除挑戰(zhàn)更加困難。

PIM 檢測：查找 PIM 源

掃線

可以實現(xiàn)各種掃線技術。線路掃描測量傳輸系統(tǒng)內(nèi)目標頻段上的信號損耗和反射。不能假設掃線總是能準確地指示PIM的可能原因。線路掃描可以更多地被視為一種診斷工具，有助于識別傳輸線路路徑上的問題。早期裝配問題可能表現(xiàn)為 PIM;如果不加以解決，這些組裝問題可能會升級為更嚴重的傳輸線故障。線路掃描通常分為兩個基本測試：回波損耗和插入損耗。兩者都非常依賴于頻率，并且在指定頻段內(nèi)都可以有很大差異。回波損耗測量天線系統(tǒng)的功率傳輸效率。必須將最小功率反射回發(fā)射器。任何反射功率都會使傳輸?shù)男盘柺д?，當功率足夠大時，會對發(fā)射器造成損壞。20 dB的回波損耗系數(shù)表示1%的發(fā)射信號被反射回發(fā)射器，99%的信號到達天線，這通常被認為是良好的性能。10 dB的回波損耗表示10%的信號被反射，應視為較差。如果回波損耗測量值為0 dB，則會反射100%的功率，這可能是開路或短路的結果。

時域反射

先進的TDR技術可用于首先提供最佳系統(tǒng)的參考圖，然后用于確定傳輸路徑上開始發(fā)生損傷的確切位置。這種技術可以使操作員找到PIM的來源并進行有針對性的有效維修。傳輸線映射還可以在故障開始對性能產(chǎn)生重大影響之前提醒操作員注意故障的早期跡象。時域反射計（TDR）測量信號通過傳輸線產(chǎn)生的反射。TDR儀器通過介質(zhì)發(fā)送脈沖，并將來自未知傳輸環(huán)境的反射與標準阻抗產(chǎn)生的反射進行比較。簡化的TDR測量模塊設置如圖8所示。

圖8.TDR 設置框圖。

圖9提供了TDR傳輸線映射的示例。

圖9.輸電線路的TDR映射。

頻域反射

雖然TDR和FDR都依賴于將激勵發(fā)送到傳輸線并分析反射的原理，但這兩種技術的實現(xiàn)非常不同。FDR 技術使用 RF 信號掃描，而不是 TDR 使用的直流脈沖。FDR也比TDR敏感得多，可以更高精度地定位系統(tǒng)性能的故障或下降。頻域反射計原理涉及將源信號與來自傳輸線內(nèi)故障和其他反射特性的反射信號相加。雖然TDR使用非常短的直流脈沖作為激勵，這些脈沖固有地覆蓋非常大的帶寬，但FDR掃描RF信號實際上可以在特定的目標頻率下運行（通常在系統(tǒng)預期工作的范圍內(nèi)）。

圖 10.FDR原理，掃描頻率回波損耗與距離的關系。

到PIM的距離

需要注意的是，雖然線路掃描可能表明阻抗不匹配，因此傳輸線PIM的來源，但PIM和傳輸線阻抗不匹配可能是相互排斥的。PIM非線性可能發(fā)生在線路掃描結果未指示任何傳輸線問題的點。因此，每當要為用戶提供解決方案時，都需要更復雜的實現(xiàn)，該解決方案不僅要指示PIM的存在，還要允許他們精確地識別傳輸線路徑上出現(xiàn)問題的位置。

全面的PIM線路測試的運行模式與設計PIM消除的模式類似，但算法檢查互調(diào)產(chǎn)物的時間延遲估計的情況除外。應該注意的是，在這些情況下，優(yōu)先級不是消除PIM偽像，而是精確定位傳輸路徑上發(fā)生互調(diào)的位置。該概念也稱為到PIM的距離（DTP）。例如，在雙音測試中：

音調(diào) 1：

音調(diào) 2：

w1和 w2是頻率;01和 02是初始階段;t0是初始時間。

IMD（例如，下側）將是：

許多現(xiàn)有的解決方案要求用戶斷開傳輸路徑并插入PIM標準（PIM標準是已知產(chǎn)生固定量PIM的設備，用于校準測試設備）。PIM標準的使用為用戶提供了一個參考IMD，該IMD在沿發(fā)射器路徑的特定位置/距離處具有已知相位。圖11（a）提供了概述。IMD階段032如圖 11 所示，用作位置零的參考。

圖 11.到 PIM 的距離。

執(zhí)行初始校準后，重建系統(tǒng)并進行系統(tǒng)PIM測量，如圖11（b）所示。θ 之間的相位差32和 θ'32可用于計算到 PIM 的距離。

其中D是到PIM的距離，S是波傳播速度（取決于傳輸介質(zhì)）。

裝配和生銹的螺栓PIM可能是緩慢和漸進的過程;基站可能在初始安裝后高效工作，但隨著時間的推移，這些類型的PIM現(xiàn)象可能會開始變得更加明顯。由于PIM的水平可能會受到振動或風等環(huán)境問題的影響，因此PIM的性質(zhì)和特性可能是動態(tài)和波動的。屏蔽或取消 PIM 可能不僅困難，還可能被視為掩蓋更嚴重的問題，如果不解決，可能會導致整個系統(tǒng)故障。在這種情況下，運營商將希望避免整個系統(tǒng)拆卸的成本，而是有效地找到PIM貢獻者并更換它。

PIM距離（DTP）技術還為基站運營商提供了跟蹤其系統(tǒng)隨時間推移的退化情況的可能性，并提前突出顯示可能出現(xiàn)的問題。這些知識允許在定期維護期間更換薄弱環(huán)節(jié)，從而避免代價高昂的系統(tǒng)停機時間和專門的維修工作。

結論

無源互調(diào)并不是什么新鮮事。這是一種已經(jīng)存在多年的現(xiàn)象，并且已經(jīng)理解了一段時間。最近，該行業(yè)的兩個明顯變化使其重新成為人們關注的焦點：

首先，高級算法現(xiàn)在提供了一種智能方法來檢測PIM的存在/位置，并在適當?shù)那闆r下對其進行補償。以前，無線電設計人員必須選擇滿足特定PIM性能要求的組件，而在PIM消除算法的幫助下，他們現(xiàn)在獲得了新的自由度。他們有能力推動更高的性能，或者，如果他們應該選擇，保持相同的性能水平，但成本更低，硬件組件更小。取消算法以數(shù)字方式輔助硬件元素。

其次，隨著基站塔的密度和多樣性的爆炸式增長，我們看到由特定系統(tǒng)設置（例如共享天線）引起的一系列全新挑戰(zhàn)。算法消除取決于對主要傳輸信號的了解。在塔上的空間具有溢價的情況下，各種發(fā)射器可能共享一個天線，因此很可能存在不需要的PIM效應。在這種情況下，算法可能知道發(fā)射器路徑的某些部分，并且可以有效地工作。在傳輸路徑的所有部分都未知的情況下，第一代高級PIM消除算法的性能或實現(xiàn)可能會受到限制。

隨著基站安裝的挑戰(zhàn)不斷增加，PIM檢測和消除算法有望在短期內(nèi)為無線電設計人員帶來巨大的收益和優(yōu)勢，但需要開發(fā)工作來跟上未來的挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷